Tekutý dusík - Liquid nitrogen

Tekutý dusík
Ukázka tekutého dusíku v prostoru tvůrce Freeside v Atlantě ve státě Georgia během konference Online News Association v roce 2013
Studenti připravují domácí zmrzlinu s dewarem tekutého dusíku.

Tekutý dusík - LN 2 - je dusík v kapalném stavu při nízké teplotě. Tekutý dusík má bod varu přibližně -195,8 ° C (-320 ° F; 77 K). Vyrábí se průmyslově frakční destilací z kapalného vzduchu . Je to bezbarvá kapalina s nízkou viskozitou, která se široce používá jako chladivo.

Fyzikální vlastnosti

Po ztekucení je zachován diatomický charakter molekuly N 2 . Slabá van der Waalsova interakce mezi molekulami N 2 má za následek malou interatomickou interakci, která se projevuje velmi nízkou teplotou varu .

Teplota kapalného dusíku může být snadno snížena na bod mrazu -210 ° C (-346 ° F; 63 K) umístěním do vakuové komory čerpané vakuovou pumpou . Účinnost kapalného dusíku jako chladicí kapaliny je omezena skutečností, že při kontaktu s teplejším předmětem okamžitě vře a obaluje předmět v izolační vrstvě plynových bublin dusíku. K tomuto efektu, známému jako Leidenfrostův efekt , dochází, když jakákoli kapalina přijde do styku s povrchem, který je výrazně teplejší než jeho bod varu. Rychlejšího ochlazení lze dosáhnout ponořením předmětu do rozbředlého tekutého a pevného dusíku, a ne do kapalného dusíku samotného.

Zacházení

Jako kryogenní tekutina, která rychle zmrazuje živou tkáň, vyžaduje její manipulace a skladování tepelnou izolaci . Může být skladován a přepravován ve vakuových bankách , přičemž teplota je udržována konstantní na 77 K pomalým varem kapaliny. V závislosti na velikosti a provedení se doba držení vakuových lahví pohybuje od několika hodin do několika týdnů. Vývoj tlakově superizolovaných vakuových nádob umožnil skladování a přepravu kapalného dusíku po delší časové období se ztrátami sníženými na 2% denně nebo méně.

Využití

Tekutý dusík je kompaktní a snadno transportovatelný zdroj suchého plynného dusíku, protože nevyžaduje natlakování. Díky své schopnosti udržovat teploty hluboko pod bodem mrazu vody je extrémně užitečný v celé řadě aplikací, především jako chladivo s otevřeným cyklem , včetně:

Kulinářské

Kulinářské využití tekutého dusíku je zmíněno v knize receptů z roku 1890 s názvem Fancy Ices, kterou napsala paní Agnes Marshall , ale v nedávné době byla zaměstnána restauracemi při přípravě mražených dezertů, jako je zmrzlina, které lze vytvořit uvnitř momenty u stolu kvůli rychlosti, jakou ochlazuje jídlo. Rychlost chlazení také vede k tvorbě menších ledových krystalů, které dodávají dezertu hladší strukturu. Tuto techniku ​​používá šéfkuchař Heston Blumenthal, který ji použil ve své restauraci The Fat Duck , k výrobě mražených pokrmů, jako jsou zmrzlina z vajec a slaniny. Tekutý dusík se stal oblíbeným také při přípravě koktejlů, protože jej lze použít k rychlému ochlazení sklenic nebo zmrazení přísad. Přidává se také do nápojů, aby vytvořil kouřový efekt, ke kterému dochází, když malé kapičky tekutého dusíku přicházejí do styku s okolním vzduchem a kondenzují přirozeně přítomnou páru.

Původ

Dusík byl poprvé zkapalněn na Jagellonské univerzitě dne 15. dubna 1883 polskými fyziky Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski .

Bezpečnost

Plnění kapalného dusíku Dewar ze skladovací nádrže

Protože poměr expanze kapaliny k plynu dusíku je 1: 694 při 20 ° C (68 ° F), lze v uzavřeném prostoru odpařovat kapalný dusík generovat obrovské množství síly. Při incidentu 12. ledna 2006 na Texas A&M University nefungovala zařízení pro odlehčení tlaku v nádrži kapalného dusíku a později byla uzavřena. V důsledku následného nárůstu tlaku tank katastrofálně selhal. Síla exploze byla dostatečná na to, aby tank pohnal stropem bezprostředně nad ním, rozbil železobetonový paprsek bezprostředně pod ním a vyhodil stěny laboratoře 0,1–0,2 m od jejich základů.

Kvůli extrémně nízké teplotě může neopatrné zacházení s kapalným dusíkem a jakýmikoli předměty jím chlazenými způsobit studené popáleniny . V takovém případě by při manipulaci měly být použity speciální rukavice. Malé potřísnění nebo dokonce potřísnění kůže se však nespálí okamžitě kvůli efektu Leidenfrost , odpařující se plyn do určité míry tepelně izoluje, jako když se velmi krátce dotknete horkého prvku vlhkým prstem. Pokud se kapalnému dusíku podaří kamkoli se sloučit, silně hoří.

Jak se kapalný dusík odpařuje, snižuje koncentraci kyslíku ve vzduchu a může působit jako udušení , zejména ve stísněných prostorách . Dusík je bez zápachu, bez barvy a bez chuti a může způsobit udušení bez jakéhokoli pocitu nebo předchozího varování.

Kyslíkové senzory se někdy používají jako bezpečnostní opatření při práci s kapalným dusíkem, aby upozornily pracovníky na únik plynu do uzavřeného prostoru.

Plavidla obsahující kapalný dusík mohou kondenzovat kyslík ze vzduchu. Kapalina v takové nádobě se při odpařování dusíku stále více obohacuje kyslíkem (teplota varu 90 K; -183 ° C; -298 ° F) a může způsobit prudkou oxidaci organického materiálu.

Požití tekutého dusíku může způsobit vážné vnitřní poškození v důsledku zamrznutí tkání, které s ním přicházejí do styku, a objemu plynného dusíku, který se vyvíjí, když se kapalina ohřívá tělesným teplem. V roce 1997 student fyziky demonstrující Leidenfrostův efekt držením tekutého dusíku v ústech omylem polkl látku, což mělo za následek téměř smrtelná zranění. Jednalo se zřejmě o první případ v lékařské literatuře požití tekutého dusíku. V roce 2012 si mladá žena v Anglii nechala odstranit žaludek po požití koktejlu vyrobeného z tekutého dusíku. V lednu 2021 došlo v závodě na zpracování drůbeže v americkém státě Georgia k prasknutí linky s kapalným dusíkem, při níž zemřelo šest lidí a dalších 11 bylo zraněno.

Výroba

Kapalný dusík je vyráběn komerčně z kryogenní destilace ze zkapalněného vzduchu nebo z ztekucení čistého dusíku odvozené od vzduchu za použití tlaku vyměnitelnou adsorpci . Ke stlačení filtrovaného vzduchu na vysoký tlak se používá vzduchový kompresor ; vysokotlaký plyn se ochladí zpět na teplotu okolí a nechá se expandovat na nízký tlak. Expanzní vzduch se výrazně ochlazuje ( Joule -Thomsonův efekt ) a kyslík, dusík a argon jsou odděleny dalšími fázemi expanze a destilace. Pomocí tohoto principu lze snadno dosáhnout malosériové výroby kapalného dusíku. Tekutý dusík může být vyráběn pro přímý prodej nebo jako vedlejší produkt při výrobě kapalného kyslíku používaného pro průmyslové procesy, jako je výroba oceli . Zařízení na kapalný vzduch produkující v řádu tun za den výrobku se začaly stavět ve 30. letech 20. století, ale po druhé světové válce se staly velmi běžnými; velký moderní závod může produkovat 3000 tun tekutých vzduchových produktů za den.

Viz také

Reference